Thạc Sĩ Nghiên cứu tính hiệu suất của detector bán dẫn HPGe bằng phương pháp monte carlo trong phần mềm k0-I

MỞ ĐẦU
Kỹ thuật phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis – NAA) trên lò phản ứng là một kỹ thuật phân tích kích hoạt hạt nhân hiện đại có độ nhạy và độ chính xác cao. Kỹ thuật này hiện nay được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như khảo cổ, địa chất, nông-y-sinh học, môi trường [1] . Trong thực tế, kỹ thuật NAA thường sử dụng các phương pháp chuẩn hóa: tuyệt đối (Absolute), tương đối (Relative) hoặc chuẩn đơn (Monostandard). Các phương pháp chuẩn hóa này có nhiều đóng góp trong quá trình áp dụng của kỹ thuật NAA, nhưng chúng cũng có một số nhược điểm[1]. Để khắc phục các nhược điểm nhưng vẫn tận dụng được các ưu điểm cơ bản của phương pháp chuẩn hóa kể trên, một phương pháp chuẩn hóa mới, phương pháp k0-NAA, đã được đưa ra ở Châu Âu. Phương pháp k0-NAA có ưu điểm là không cần dùng mẫu chuẩn hay mẫu tham khảo mà lại có khả năng phân tích đa nguyên tố. Đặc biệt, sai số phân tích mang tính hệ thống khá ổn định. Ngoài ra, k0-NAA còn có ưu điểm là đơn giản trong thực nghiệm, linh hoạt khi thay đổi điều kiện chiếu trên lò phản ứng và đo phổ gamma,
và thuận tiện trong việc tự động hóa quy trình bằng phần mềm máy tính. Trên thế giới, các nước đã nghiên cứu phát triển và áp dụng k0-NAA đầu tiên là Bỉ, Hungary. Gần đây, một số phòng thí nghiệm NAA cũng đã và đang nghiên cứu áp dụng phương pháp này như Hoa Kỳ, Hà Lan, Pháp, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Indonesia, Thái Lan và Việt Nam[1]. Phân tích kích hoạt neutron (NAA) là một công cụ đáng tin cậy đối với các phòng thí nghiệm phân tích có nguồn neutron mạnh (lò phản ứng) dùng để chiếu mẫu. Sự tự động hóa trong quá trình đo và tính toán dữ liệu để làm tăng số lượng mẫu đưa vào bằng phần mềm máy tính và làm chuẩn hóa quy trình là một thử thách lớn đối với nhiều phòng thí nghiệm INAA (Instrumental Neutron Activation Analysis)[16].
Để ước tính hàm lượng nguyên tố trong mẫu bằng phương pháp k-zero, gói phần mềm thương mại cho mục đích này được sử dụng; tuy nhiên, giá của nó quá cao đối với nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu[16] và vẫn còn một số khuyết điểm [1] nên một số quốc gia đã tự xây dựng chương trình tính toán k0 cho riêng mình.
Do đó, một chương trình có giao diện sử dụng trên Windows (phần mềm k0-IAEA) được xây dựng để phân phối miễn phí bởi IAEA, nhằm động viên các phòng thí nghiệm NAA tin cậy vào phương pháp chuẩn hóa k-zero hơn các phương pháp chuẩn và tính toán kết hợp khác [16]. Đối với Việt Nam, trong nghiên cứu phát triển và áp dụng phương pháp k0-NAA trên lò phản ứng Đà Lạt, một chương trình k0-Dalat cho việc tính toán thực nghiệm đã được xây dựng bởi TS. Hồ Mạnh Dũng. Chương trình này đã được sử dụng ở các nước khác như Malaysia và Hàn Quốc[11].
Phần mềm k0-IAEA được giới thiệu từ đầu năm 2005[17] và đã được phát triển để hỗ trợ người sử dụng phương pháp k-zero trong NAA để phù hợp và thống nhất các kết quả tính toán giữa các phòng thí nghiệm sử dụng k-zero trong NAA.
Phần mềm được phân phát miễn phí [10] với hy vọng sẽ làm giảm việc sử dụng các mẫu chuẩn phục vụ mục đích hiệu chuẩn[16]. Việc giảm sử dụng mẫu chuẩn cho mục đích hiệu chuẩn rất có ích cho bài toán k0-NAA thực tế, đặc biệt đối với việc chuẩn hệ đo.
Do đó, luận văn với nội dung Nghiên cứu tính hiệu suất của detector bán dẫn HPGe bằng phương pháp Monte Carlo trong phần mềm k0-IAEA được thực hiện với mục tiêu:
- Tính hiệu suất tuyệt đối của detector bán dẫn HPGe bằng phần mềm k0-IAEA. So sánh với phương pháp truyền thống.
- Tính hàm lượng một số nguyên tố trong mẫu chuẩn bằng phần mềm k0-IAEA, trong đó có khảo sát việc sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để biến đổi đường cong hiệu suất từ hình học đo này sang hình học đo khác.
Ngoài ra, luận văn còn hướng đến mục tiêu khác là so sánh kết quả tính hàm lượng bằng phần mềm k0-IAEA với kết quả tính hàm lượng bằng chương trình k0-Dalat.
MỤC LỤC
Danh mục các bảng 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị . 4
MỞ ĐẦU . 6
Chương 1: PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON (NAA) 8
1.1. Giới thiệu . 8
1.2. Nguyên tắc của phân tích kích hoạt neutron . 9
1.3. Phân tích kích hoạt neutron dùng lò phản ứng .10
1.4. Các phương pháp chuẩn hóa của NAA . 14
1.4.1. Phương pháp tuyệt đối . 14
1.4.2. Phương pháp tương đối 15
1.4.3. Phương pháp chuẩn đơn . 15
1.4.4. Phương pháp chuẩn hóa k-zero (k0) . 16
Chương 2: HIỆU SUẤT DETECTOR TRONG PHẦN MỀM k0-IAEA 18
2.1. Giới thiệu phần mềm k0-IAEA .18
2.1.1. Giới thiệu 18
2.1.2. Các phiên bản của phần mềm k0-IAEA 19
2.2. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo . 20
2.2.1. Giới thiệu . 20
2.2.2. Đặc trưng của phương pháp Monte Carlo 20
2.2.2.1. Định lý giới hạn trung tâm . 20
2.2.2.2. Luật số lớn 21
2.2.2.3. Số ngẫu nhiên . 21
2.3. Tính hiệu suất ghi trong phần mềm k0-IAEA . 22
2.3.1. Hiệu suất ghi của detector 22
2.3.2. Phương pháp Monte Carlo trong phần mềm k0-IAEA 24
2.3.2.1. Mô hình tương tác của gamma với vật chất 25
2.3.2.2. Hiệu ứng quang điện 28
2.3.2.3. Tán xạ Compton 28
2.3.2.4. Sự tạo cặp . 29
2.4. Tính hiệu suất của detector bằng phương pháp truyền thống . 29
Chương 3: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM DÙNG PHẦN MỀM k0-IAEA 34
3.1. Sơ lược về sử dụng phần mềm k0-IAEA 34
3.1.1. Soạn thảo cơ sở dữ liệu cơ bản (Edit permanent databse) . 35
3.1.2. Hiệu chuẩn detector (Calibrate the efficiency of a detector) 40
3.1.3. Mô tả điều kiện chiếu (Characterize an irradiation facility) . 41
3.1.4. Phân tích mẫu và báo cáo (Analyze samples and Report the resutls) . 42
3.2. Tính hiệu suất ghi của detector bằng phần mềm k0-IAEA . 42
3.3. Tính hàm lượng một số mẫu thực tế dùng phần mềm k0-IAEA . 46
3.4. Đánh giá kết quả phân tích 52
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 54
4.1. Kết quả tính hiệu suất bằng phần mềm k0-IAEA 54
4.2. Kết quả tính hàm lượng bằng phần mềm k0-IAEA . 57
4.2.1. Kết quả tính mẫu chuẩn 1632c 58
4.2.2. Kết quả tính mẫu chuẩn 2711 60
4.2.3. Kết quả tính mẫu chuẩn Soil 7 . 64
KẾT LUẬN . 68
KIẾN NGHỊ 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 71